CN107543681A - 一种高速撞击下光纤断裂响应时间的测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速撞击下光纤断裂响应时间的测量装置和方法，包括光源、光分路器、多芯光纤、第一多芯光纤‑单芯光纤耦合单元、第二多芯光纤‑单芯光纤耦合单元、多个光电探测器、信号采集单元，所述光电探测器个数与多芯光纤的纤芯数目对应；通过不同纤芯光信号的强度来判断该纤芯的断裂状态，响应速度快；利用多芯光纤不同纤芯在光纤横截面上的分布，根据不同纤芯断裂时的光信号下降沿在时间轴上的差异，计算出光纤从表面到中心纤芯的断裂时间，综合实现了宽光功率范围、高灵敏度、快速恢复的目标，实现了光纤通断状态的快速检测。
Description
所属技术领域
本发明涉及光纤断裂响应时间的测量装置和方法，特别是一种高速撞击下光纤断裂响应时间的测量装置和方法，属于光电测量技术领域。
背景技术
通过光纤的光信号通断来进行事件的探测、定位和过程研究，具有响应时间快、抗电磁干扰能力强、定位优点高等优点，在高速撞击试验和测试中具有重要的应用。
高速撞击事件的动态过程，通常利用不同位置光纤断裂的时间来进行跟踪。由于光信号限制在光纤的中心纤芯部分传播，实际获得的光纤断裂时间为中心纤芯断裂时间；难以获得光纤从表面到中心纤芯的断裂过程的响应时间。现有的分析模型，通常假定高速撞击下光纤从包层到纤芯的断裂过程的响应时间趋近于零，缺乏有效的测量方法来提供真实数据。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对现有的基于光纤的高速撞击探测方法，难以确定光纤从包层到纤芯的断裂过程响应时间的问题，提供一种高速撞击下光纤断裂响应时间的测量方法。
本发明的技术解决方案是：一种高速撞击下光纤断裂响应时间的测量装置，该测量装置包括光源、光分路器、多芯光纤、第一多芯光纤-单芯光纤耦合单元、第二多芯光纤-单芯光纤耦合单元、多个光电探测器、信号采集单元，所述光电探测器个数与多芯光纤的纤芯数目对应；
光源发出的光经过光分路器分成多路，每一路光通过第一多芯光纤-单芯光纤耦合单元输入至多芯光纤的一个纤芯，多芯光纤的每个纤芯内光信号通过第二多芯光纤-单芯光纤耦合单元输出至对应的光电探测器转换成电信号；多芯光纤位于被撞击体待测撞击部位，多芯光纤纤芯受到高速撞击时发生断裂，其对应的光电探测器输出的信号的由“有效状态”变为“无效状态”，信号采集单元监测光电探测器的输出的电信号状态变化时刻，根据多芯光纤各纤芯的发生断裂时刻，得到光纤断裂响应时间。
所述光电探测器包括光电二极管、跨阻放大电路、钳位放大电路；
光电二极管将光信号转换成电流信号输入至跨阻放大电路；跨阻放大电路将电流信号转换成电压信号输出至钳位放大电路，钳位放大电路将其钳位放大并输出；所述跨阻放大电路的线性工作区覆盖光信号功率变化引起的电流变化范围；所述钳位放大电路饱和区电压高于通断测试时光信号断开对应的跨阻放大电路输出电压。
所述钳位放大电路为输入钳位放大电路。
所述钳位放大电路从饱和区进入线性区的恢复时间不大于10ns。
所述跨阻放大电路包括电压反馈运算放大器、电阻R8、电阻R10、电容C9；电压反馈运算放大器反向输入端为跨阻放大电路的输入端，电压反馈运算放大器正向输入端接地，电阻R8和电容C9并联连接在电压反馈运算放大器的反向输入端和输出端之间，电压反馈运算放大器的输出端连接电阻R10，电阻R10的另一端为跨阻放大电路的输出。
所述钳位放大电路包括钳位运算放大器、电阻R16、R17、R18，电阻R16的一端接地、另一端连接钳位运算放大器的正向输入端和钳位放大电路的输入端，电阻R17跨接在钳位运算放大器反向输入端和输出端之间，电阻R18跨接在钳位运算放大器反向输入端和地之间，钳位运算放大器的输出即为钳位放大电路的输出。
所述信号采集单元同步采集各光电探测器的输出的电信号。
所述信号采集单元的采样频率大于100MHz。
本发明提供的另一个技术解决方案是：一种高速撞击下光纤断裂响应时间的测量方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、将多芯光纤铺设在被撞击体表面待测撞击部位；
步骤二、依次连接光分路器、第一多芯光纤-单芯光纤耦合单元、多芯光纤、第二多芯光纤-单芯光纤耦合单元、多个光电探测器和信号采集单元；
步骤三、开启光源，使光源发出的光经过光分路器分成多路，每一路光顺序通过第一多芯光纤-单芯光纤耦合单元、多芯光纤的纤芯和第二多芯光纤-单芯光纤耦合单元输出至对应的光电探测器；
步骤四、撞击体高速撞击被撞击体，使多芯光纤纤芯受到高速撞击发生断裂；
步骤五、实时监测光电探测器输出的信号状态变化时刻，根据多芯光纤各纤芯的发生断裂时刻，得到光纤断裂响应时间。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明提供了一种高速撞击下光纤断裂响应时间的测量装置和方法，利用多芯光纤不同纤芯在光纤横截面上的分布，根据不同纤芯断裂时导致的光电探测器输出的信号状态变化时刻，根据多芯光纤各纤芯的发生断裂时刻，得到精确的光纤断裂响应时间；
(2)、本发明所采用的光电探测器利用跨阻放大电路的高线性、低零位漂移的特点，以及钳位放大电路的增益高、饱和恢复时间短的特点，综合实现了宽光功率范围、高灵敏度、快速恢复的目标，实现了光纤通断状态的快速检测。
附图说明
图1为本发明一种高速撞击下光纤断裂响应时间的测量方法和装置的原理图；
图2为本发明一种具体实施例所采用的多芯光纤的横截面结构图；
图3为本发明光电探测器电路原理图；
图4为本发明光电探测器电压-电流响应曲线。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。
如图1所示，本发明提供的一种高速撞击下光纤断裂响应时间的测量装置，其特征在于包括光源2、光分路器3、多芯光纤4、第一多芯光纤-单芯光纤耦合单元51、第二多芯光纤-单芯光纤耦合单元52、多个光电探测器60～66、信号采集单元7，所述光电探测器个数与多芯光纤4的纤芯数目对应，对每个纤芯的光信号进行独立探测。
光源2发出的光经过光分路器3分成多路，每一路光通过第一多芯光纤-单芯光纤耦合单元51输入至多芯光纤4的一个纤芯，多芯光纤4的每个纤芯内光信号通过第二多芯光纤-单芯光纤耦合单元52输出至对应的光电探测器转换成电信号；多芯光纤4位于被撞击体待测撞击部位，多芯光纤4纤芯受到高速撞击时发生断裂，其对应的光电探测器输出的信号的由“有效状态”变为“无效状态”，信号采集单元7监测光电探测器的输出的电信号状态变化时刻，根据多芯光纤各纤芯的发生断裂时刻，得到光纤断裂响应时间，所述多芯光纤包含一个位于光纤轴线的中心纤芯以及位于不同半径位置的其他纤芯。所述光纤断裂响应时间为多芯光纤从表面到中心纤芯的断裂时间。
所述光电探测器包括光电二极管601、跨阻放大电路602、钳位放大电路603；光电二极管601将光信号转换成电流信号输入至跨阻放大电路602；跨阻放大电路602将电流信号转换成电压信号输出至钳位放大电路603，钳位放大电路603将其钳位放大并输出；所述跨阻放大电路602的线性工作区覆盖光信号功率变化引起的电流变化范围；所述钳位放大电路603饱和区电压高于通断测试时光信号断开对应的跨阻放大电路输出电压。
所述钳位放大电路603为输入钳位放大电路。
所述钳位放大电路603从饱和区进入线性区的恢复时间不大于10ns。
所述跨阻放大电路602包括电压反馈运算放大器605、电阻R8、电阻R10、电容C9；电压反馈运算放大器605反向输入端为跨阻放大电路的输入端，电压反馈运算放大器605正向输入端接地，电阻R8和电容C9并联连接在电压反馈运算放大器605的反向输入端和输出端之间，电压反馈运算放大器605的输出端连接电阻R10，电阻R10的另一端为跨阻放大电路的输出。
所述钳位放大电路603包括钳位运算放大器611、电阻R16、R17、R18，电阻R16的一端接地、另一端连接钳位运算放大器611的正向输入端和钳位放大电路的输入端，电阻R17跨接在钳位运算放大器611反向输入端和输出端之间，电阻R18跨接在钳位运算放大器611反向输入端和地之间，钳位运算放大器611的输出即为钳位放大电路的输出。
上述光电探测器具备宽光功率范围、高灵敏度、快速恢复的优点。其跨阻放大电路具备足够大的线性工作区，使之覆盖光信号功率变化引起的电流变化范围，以保证探测器具备宽光功率范围；跨阻放大电路输出的电压信号的变化率一般比较低，无法满足探测器快速判断通断的要求，后一级的钳位放大电路为输入钳位比例放大电路，该电路将前一级跨阻放大电路的输出进行放大，大大放大了其信号，使检测到光信号时，电压迅速攀升到饱和工作区，在饱和工作区内光电探测器输出信号稳定在饱和输出电压之上，当输入光功率从饱和区回到线性区后，对应光电探测器输出信号的恢复时间短。两级电路组合起来，导致光电探测器的电压-电流响应曲线包括线性工作区和饱和工作区。线性工作区斜率较大，饱和工作区内信号稳定。
所述信号采集单元7同步采集各光电探测器的输出的电信号。可以是同步采样的高速数据采集卡或多通道示波器。
所述信号采集单元7的采样频率大于100MHz。
基于上述高速撞击下光纤断裂响应时间的测量装置，本发明还提供了一种高速撞击下光纤断裂响应时间的测量方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、将多芯光纤4铺设在被撞击体表面待测撞击部位；
步骤二、依次连接光分路器3、第一多芯光纤-单芯光纤耦合单元51、多芯光纤4、第二多芯光纤-单芯光纤耦合单元52、多个光电探测器和信号采集单元7；
步骤三、开启光源2，使光源2发出的光经过光分路器3分成多路，每一路光顺序通过第一多芯光纤-单芯光纤耦合单元51、多芯光纤4的纤芯和第二多芯光纤-单芯光纤耦合单元52输出至对应的光电探测器；
步骤四、撞击体高速撞击被撞击体，使多芯光纤4纤芯受到高速撞击发生断裂；
步骤五、实时监测光电探测器输出的信号状态变化时刻，根据多芯光纤各纤芯的发生断裂时刻，得到光纤断裂响应时间。
实施例：
如图2所示，一个具体实施例采用的多芯光纤4包含一个中心纤芯40和圆周方向分布的纤芯41～46。纤芯40～46输出的光信号经光电探测器60～66转换成电信号，光电探测器60～66的跨阻放大电路2电阻R8的阻值为20kΩ，电压反馈运算放大器的增益带宽积大于1GHz，跨阻放大电路2的带宽大于40MHz。钳位放大电路3的钳位运算放大器11采用AD8037，钳位放大电路3的增益为10，设置的钳位高电压12为0.3V，输出的钳位电平为钳位高电压12乘以增益，即为3V，钳位放大电路3的带宽大于20MHz。该光电探测器的整个输入光功率范围为0～100μW，光电探测器输出电压—输入光功率响应曲线的线性工作区0～15μW、饱和工作区15～100μW，光信号状态判断的阈值为2μW，光电探测器输出电压范围0～3V，当输出电压为高电平3V时，为有效信号，输出电压为低电平0V时为无效信号，光电探测器的上升时间或下降时间≤20ns，光电探测器的饱和恢复时间≤10ns。信号采集单元7为高速数字化仪，采集高速光电探测器60～66的输出信号。
当撞击体12高速撞击到被撞击体11上时，根据光电探测器60～66的输出信号的下降沿在时间轴上的差异，计算出多芯光纤4从多芯光纤的表面4c到中心纤芯40的断裂时间，其测试精度在40ns之内，包含10ns饱和恢复时间、20ns下降沿时间、100MHz信号采样对应的10ns。
本发明未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (9)
1.一种高速撞击下光纤断裂响应时间的测量装置，其特征在于包括光源(2)、光分路器(3)、多芯光纤(4)、第一多芯光纤-单芯光纤耦合单元(51)、第二多芯光纤-单芯光纤耦合单元(52)、多个光电探测器、信号采集单元(7)，所述光电探测器个数与多芯光纤(4)的纤芯数目对应；
光源(2)发出的光经过光分路器(3)分成多路，每一路光通过第一多芯光纤-单芯光纤耦合单元(51)输入至多芯光纤(4)的一个纤芯，多芯光纤(4)的每个纤芯内光信号通过第二多芯光纤-单芯光纤耦合单元(52)输出至对应的光电探测器转换成电信号；多芯光纤(4)位于被撞击体待测撞击部位，多芯光纤(4)纤芯受到高速撞击时发生断裂，其对应的光电探测器输出的信号的由“有效状态”变为“无效状态”，信号采集单元(7)监测光电探测器的输出的电信号状态变化时刻，根据多芯光纤各纤芯的发生断裂时刻，得到光纤断裂响应时间。
2.根据权利要求1所述的一种高速撞击下光纤断裂响应时间的测量装置，其特征在于所述光电探测器包括光电二极管(601)、跨阻放大电路(602)、钳位放大电路(603)；
光电二极管(601)将光信号转换成电流信号输入至跨阻放大电路(602)；跨阻放大电路(602)将电流信号转换成电压信号输出至钳位放大电路(603)，钳位放大电路(603)将其钳位放大并输出；所述跨阻放大电路(602)的线性工作区覆盖光信号功率变化引起的电流变化范围；所述钳位放大电路(603)饱和区电压高于通断测试时光信号断开对应的跨阻放大电路输出电压。
3.根据权利要求2所述的一种光信号通断测试用光电探测器，其特征在于：所述钳位放大电路(603)为输入钳位放大电路。
4.根据权利要求2所述的一种光信号通断测试用光电探测器，其特征在于：所述钳位放大电路(603)从饱和区进入线性区的恢复时间不大于10ns。
5.根据权利要求2所述的一种光信号通断测试用光电探测器，其特征在于：所述跨阻放大电路(602)包括电压反馈运算放大器(605)、电阻R8、电阻R10、电容C9；电压反馈运算放大器(605)反向输入端为跨阻放大电路的输入端，电压反馈运算放大器(605)正向输入端接地，电阻R8和电容C9并联连接在电压反馈运算放大器(605)的反向输入端和输出端之间，电压反馈运算放大器(605)的输出端连接电阻R10，电阻R10的另一端为跨阻放大电路的输出。
6.根据权利要求2所述的一种光信号通断测试用光电探测器，其特征在于：所述钳位放大电路(603)包括钳位运算放大器(611)、电阻R16、R17、R18，电阻R16的一端接地、另一端连接钳位运算放大器(611)的正向输入端和钳位放大电路的输入端，电阻R17跨接在钳位运算放大器(611)反向输入端和输出端之间，电阻R18跨接在钳位运算放大器(611)反向输入端和地之间，钳位运算放大器(611)的输出即为钳位放大电路的输出。
7.根据权利要求1所述的一种高速撞击下光纤断裂响应时间的测量装置，其特征在于所述信号采集单元(7)同步采集各光电探测器的输出的电信号。
8.根据权利要求1所述的一种高速撞击下光纤断裂响应时间的测量装置，其特征在于所述信号采集单元(7)的采样频率大于100MHz。
9.一种高速撞击下光纤断裂响应时间的测量方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、将多芯光纤(4)铺设在被撞击体表面待测撞击部位；
步骤二、依次连接光分路器(3)、第一多芯光纤-单芯光纤耦合单元(51)、多芯光纤(4)、第二多芯光纤-单芯光纤耦合单元(52)、多个光电探测器和信号采集单元(7)；
步骤三、开启光源(2)，使光源(2)发出的光经过光分路器(3)分成多路，每一路光顺序通过第一多芯光纤-单芯光纤耦合单元(51)、多芯光纤(4)的纤芯和第二多芯光纤-单芯光纤耦合单元(52)输出至对应的光电探测器；
步骤四、撞击体高速撞击被撞击体，使多芯光纤(4)纤芯受到高速撞击发生断裂；
步骤五、实时监测光电探测器输出的信号状态变化时刻，根据多芯光纤各纤芯的发生断裂时刻，得到光纤断裂响应时间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180105 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |